DE102005047535A1

DE102005047535A1 - Pressure sensor for measuring pressures in e.g. rocket engine, has strain gage arranged on deformable diaphragm to measure deformation of diaphragm, where gage is made from metal oxide e.g. tin oxide, and diaphragm is made from sapphire

Info

Publication number: DE102005047535A1
Application number: DE200510047535
Authority: DE
Inventors: Sören Dipl.-Phys. Fricke; Alois Dr. Friedberger; Gerhard Dr. rer. nat. Müller; Ulrich Dr. rer. nat. Schmid; Helmut Dr. rer. nat. Seidel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: DE102005047535B4

Abstract

The sensor (10) has a deformable diaphragm (13) that separates an inner chamber (12) from an outer chamber, where the diaphragm deforms with a change in the external pressure during operation. A strain gage (14a-c) in the form of a thin film conductor is arranged on the diaphragm to measure the deformation of the diaphragm. The strain gage is made from metal oxide such as tin oxide, and the diaphragm is made from sapphire. The diaphragm is formed as a single-piece with a substrate (11). The inner chamber is hermetically sealed by a seal. An independent claim is also included for a method for manufacturing a high-temperature pressure sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere ist der Hochtemperatur-Drucksensor zur Messung von Drücken innerhalb von Triebwerken geeignet.The The present invention relates to a high temperature pressure sensor according to the generic term of claim 1 and a method for its production. In particular, the high temperature pressure sensor is for measuring To press suitable within engines.

Drucksensoren werden in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt, um Drücke von Gasen oder Flüssigkeiten zu messen. Dabei sind die Drucksensoren in vielen Fällen besonders hohen Belastungen ausgesetzt, die von dem Zustand des Mediums abhängen, in dem die Druckmessung durchgeführt wird. Oftmals unterscheiden sich die auf den Drucksensor wirkenden Drücke erheblich. Ein Drucksensor muss daher einerseits hohen Belastungen standhalten und soll andererseits genaue Messergebnisse liefern.pressure sensors are used in various fields of technology to reduce pressures of gases or liquids to eat. The pressure sensors are special in many cases exposed to high loads, which depend on the condition of the medium, in the pressure measurement performed becomes. Often, the forces acting on the pressure sensor differ pressures considerably. A pressure sensor must therefore withstand high loads on the one hand and on the other hand should provide accurate measurement results.

Insbesondere bei Messungen innerhalb von Triebwerken, beispielsweise Strahltriebwerken von Flugzeugen oder Raketentriebwerken, muss der Drucksensor den dort herrschenden sehr hohen Temperaturen standhalten und trotz extremer Umgebungsbedingungen, die hohen Schwankungen unterliegen, geringe Fehler bzw. Messungenauigkeiten aufweisen. Dies trifft auch für andere Anwendungsfälle zu, wie beispielsweise innerhalb von Motoren und sonstigen Verbrennungskraftmaschinen, usw.Especially for measurements inside engines, for example jet engines from airplanes or rocket engines, the pressure sensor needs the to withstand very high temperatures and despite extreme environmental conditions, which are subject to high fluctuations, have low errors or measurement inaccuracies. This is true too for others use cases to, for example, within engines and other internal combustion engines, etc.

Bekannte Drucksensoren haben eine Membran, die sich bei einer Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran verformt. Beispielsweise durch piezoresistive oder piezoelektrische Elemente, die auf einer Seite der Membran angeordnet sind, wird die Verformung der Membran gemessen.Known Pressure sensors have a diaphragm that differs at a pressure difference deformed on both sides of the membrane. For example, by piezoresistive or piezoelectric elements on one side of the membrane are arranged, the deformation of the membrane is measured.

Besonders bei großen Temperaturbelastungen besteht das Problem, dass sich die Membran des Drucksensors verspannt oder sich in ihrem Rahmen oder ihrer Aufhängung verzieht. Die Folge sind ungenaue Messungen oder verfälschte Messergebnisse, die insbesondere bei großen Temperaturschwankungen auftreten. Bei klassischen mikromechanischen Siliziummembranen besteht überdies das Problem der plastischen Verformung bei hohen Temperaturen.Especially at big Temperaturbelastungen there is the problem that the membrane of the Strained pressure sensor or warps in its frame or its suspension. The result is inaccurate measurements or falsified measurement results especially for large ones Temperature fluctuations occur. In classical micromechanical Silicon membranes is also the Problem of plastic deformation at high temperatures.

Die Druckschrift DE 196 44 830 C1 zeigt einen Drucksensor mit einem Gehäuse, dessen Innenraum durch eine Membran verschlossen wird, und piezoelektrischen Elementen, die bei einer Verformung der Membran ein entsprechendes Signal erzeugen. Durch ein zusätzliches flexibles Messelement, das an die Membran gekoppelt ist und dessen Verformung gemessen wird, wird erreicht, dass die Messergebnisse nicht durch auftretende Verspannungen der Membran verfälscht werden und z.B. auch bei stark wechselnden Temperaturen genaue und zuverlässige Messungen durchgeführt werden können. Derartige Lösungen haben jedoch den Nachteil eines relativ hohen konstruktiven Aufwandes.The publication DE 196 44 830 C1 shows a pressure sensor with a housing, the interior of which is closed by a membrane, and piezoelectric elements which generate a corresponding signal upon deformation of the membrane. By an additional flexible measuring element, which is coupled to the membrane and whose deformation is measured, it is achieved that the measurement results are not distorted by occurring strains of the membrane and, for example, accurate and reliable measurements can be performed even at strongly changing temperatures. However, such solutions have the disadvantage of a relatively high design effort.

Zur Messung von Verspannungen bei hohen Temperaturen eignen sich beispielsweise Indium-Zinnoxide, wie es in dem Artikel „High temperature stability of indium tin oxide thin films", Otto J. Gregory et al., Thin Solid Films 406 (2002) 286-293, und in „A self-compensated ceramic strain gage for use at elevated temperatures", Otto J. Gregory, Q. Luo, Sensors and Actuators A 88 (2001) 234-240 beschrieben wird.to Measuring stress at high temperatures are suitable, for example Indium tin oxides, as described in the article "High temperature stability of indium tin oxide thin films ", Otto J. Gregory et al., Thin Solid Films 406 (2002) 286-293, and in "A self-compensated ceramic strain gage for use at elevated temperatures ", Otto J. Gregory, Luo Q, Sensors and Actuators A 88 (2001) 234-240.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochtemperatur-Drucksensor bereitzustellen, der zur Messung von Drücken bei Temperaturen bis weit über 400 °C geeignet ist, wie sie z.B. in Triebwerken von Luftfahrzeugen vorherrschen, und dabei genaue Messergebnisse bei einer verlängerten Lebensdauer liefert. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hochtemperatur-Drucksensors angegeben werden.It the object of the present invention is to provide a high-temperature pressure sensor, for measuring pressures at temperatures far above 400 ° C suitable is, as it is e.g. prevail in aircraft engines, while delivering accurate readings for extended life. Furthermore, a method for producing such a high-temperature pressure sensor be specified.

Der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Drucksensor ist insbesondere für Triebwerke geeignet und umfasst ein Substrat, in dem ein Innenraum ausgestaltet ist, eine verformbare Membran, die im Betrieb den Innenraum vom Außenraum trennt, um sich bei einer Änderung des äußeren Druckes zu verformen, ein Dehnungsmesselement, das auf der Membran angeordnet ist, zur Messung der Verformung der Membran, wobei das Dehnungsmesselement aus Metalloxid gefertigt ist und die Membran aus Saphir gefertigt ist.Of the High-temperature pressure sensor according to the invention is especially for Engines suitable and includes a substrate in which an interior space is designed, a deformable membrane, which in operation the interior separates from the exterior, in order to change the external pressure to deform, a strain gauge, which is arranged on the membrane is to measure the deformation of the membrane, wherein the strain gauge made of metal oxide and the membrane is made of sapphire is.

Durch die Erfindung können Messungen von Drücken bei Temperaturen bis weit über 400 °C, beispielsweise bei ca. 1000 °C, erfolgen. Weiterhin ergibt sich insbesondere bei geringeren Temperaturen eine Verlängerung der Lebensdauer im Vergleich zu den bisher bekannten Drucksensoren. Der erfindungsgemäße Drucksensor eignet sich daher insbesondere auch zum Einsatz in Raketentriebwerken. Durch die Verwendung von Saphir als Substratmaterial wird darüber hinaus eine hohe chemische Resistenz erreicht. Durch das auf der Saphirmembran angeordnete Dehnungsmesselement aus Metalloxid ergibt sich eine besonders hohe Temperaturstabilität, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien sehr ähnlich sind. Dadurch wird z.B. vermieden, dass sich das Dehnungsmesselement allein schon aufgrund einer Temperaturänderung der sensitiven Schicht anders ausdehnt als das Substrat bzw. der Träger und somit Verspannungen verursacht.By the invention, measurements of pressures at temperatures well above 400 ° C, for example, at about 1000 ° C, take place. Furthermore, in particular at lower temperatures results in an extension of the service life in comparison to the previously known pressure sensors. The pressure sensor according to the invention is therefore particularly suitable for use in rocket engines. In addition, the use of sapphire as substrate material achieves high chemical resistance. By arranged on the sapphire membrane strain gauge made of metal oxide results in a particularly high temperature stability, since the thermal expansion coefficients of the two materials are very similar. As a result, it is avoided, for example, that the strain gauge alone otherwise expands due to a change in temperature of the sensitive layer than the substrate or the carrier and thus tensions verur gently.

Vorteilhafterweise ist das Dehnungsmesselement aus SnO₂ gefertigt, wobei es insbesondere als Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ausgestaltet sein kann. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte, schnelle und kostengünstige Fertigung.Advantageously, the strain gauge is made of SnO ₂ , wherein it may be configured in particular as a strain gauge in the form of a thin-film conductor. This results in a simplified, fast and cost-effective production.

Insbesondere ist die verformbare Membran einstückig mit dem Substrat ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine noch verbesserte Hochtemperaturstabilität und es ergeben sich geringere Verspannungen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Hochtemperatur-Drucksensor mit Techniken der Mikromechanik hergestellt werden kann.Especially the deformable membrane is formed integrally with the substrate. This results in a still improved high temperature stability and it result in lower tension. An added benefit is that the high-temperature pressure sensor manufactured using micromechanical techniques can be.

Vorteilhafterweise ist der Hochtemperatur-Drucksensor zur Integration in einem Turbinenelement, beispielsweise einer Turbinenschaufel, ausgestaltet. Dies ergibt sich dadurch, dass der Hochtemperatur-Drucksensor in extrem kleiner Bauweise gefertigt werden kann und auch ohne Gehäuse einsetzbar ist. Beispielsweise kann der Innenraum des Substrats erst aufgrund der Integration in der Turbinenschaufel bzw. durch eine Teilfläche der Turbinenschaufel vollständig verschlossen werden.advantageously, is the high-temperature pressure sensor for integration in a turbine element, for example, a turbine blade configured. This results This is because the high-temperature pressure sensor is extremely small Construction can be made and can be used without a housing. For example For example, the interior of the substrate may be only due to integration in the turbine blade or completely closed by a partial surface of the turbine blade become.

Es ist aber auch möglich, den Innenraum durch eine Versiegelung hermetisch abzuschließen, die insbesondere ebenfalls aus Saphir gefertigt ist und z.B. durch Waferbonden mit dem Saphirsubstrat verbunden ist. Dadurch kann ein Referenzdruck hinter der Membran bzw. im Innenraum des Substrats erzeugt werden, wobei der Innenraum beispielsweise evakuiert ist.It but it is also possible to hermetically seal the interior by means of a seal in particular also made of sapphire and e.g. by wafer bonding connected to the sapphire substrate. This can be a reference pressure be generated behind the membrane or in the interior of the substrate, wherein the interior is evacuated, for example.

Vorteilhafterweise enthält das Metalloxid bzw. SnO₂ eine Dotierung, wie z.B. Antimon bzw. Sb, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Dadurch wird erreicht, dass die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxids von der Temperatur abnimmt, wobei mit steigender Dotierung eine geringere Abhängigkeit vorliegt. Auf diese Weise können Messfehler aufgrund von Temperaturänderungen noch besser reduziert werden. Ein weiterer Vorteil der Dotierung liegt darin, dass die Gassensitivität bzw. Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxids in Abhängigkeit von dem jeweils vorhandenen Gas verringert wird und mit zunehmender Dotierung weiter abnimmt. D.h., es werden Messfehler vermieden, die dadurch entstehen, dass sich die Zusammensetzung des zu messenden Gases unerwartet ändert, was eine Änderung des elektrischen Widerstandes der gassensitiven Metalloxidschicht und damit verbundene Messfehler zur Folge hätte.Advantageously, the metal oxide or SnO _{2 contains} a doping, such as antimony or Sb, which increases the electrical conductivity. It is thereby achieved that the dependence of the electrical conductivity of the metal oxide on the temperature decreases, with less dependence as the doping increases. In this way, measurement errors due to temperature changes can be reduced even better. Another advantage of the doping is that the gas sensitivity or change in the electrical conductivity of the metal oxide is reduced as a function of the gas present in each case and further decreases with increasing doping. That is, measurement errors caused by unexpectedly changing the composition of the gas to be measured, resulting in a change in the electrical resistance of the gas-sensitive metal oxide layer and associated measurement errors, are avoided.

Vorteilhaft ist auf dem Metalloxid noch zusätzlich eine Passivierung ausgebildet. Die Passivierung, beispielsweise Al₂O₃, kann z.B. über dem SnO₂ abgeschieden werden, um die Gassensitivität weiter zu verringern. Alternativ kann als Isolator z.B. undotiertes SnO₂ verwendet werden, das nach dem Aufbringen noch oxidiert werden kann, oder SiO₂.Advantageously, a passivation is additionally formed on the metal oxide. The passivation, for example Al ₂ O ₃ , can be deposited over the SnO ₂ , for example, in order to further reduce gas sensitivity. Alternatively, for example, undoped SnO ₂ can be used as the insulator, which can still be oxidized after application, or SiO ₂ .

Bevorzugt ist das Metalloxid durch Aufdampfen einer Legierung auf dem Substrat gebildet mit anschließendem Annealing. Dadurch wird eine Verringerung der Körnigkeit der Oberfläche erreicht, was zur Folge hat, dass die Gassensitivität des Metalloxids noch weiter abnimmt, da dessen Oberfläche geringer ist. Insbesondere kann ein Aufdampfen bzw. Sputtern eines Gemisches bzw. einer Legierung anstatt einer Oxidation von metallischem Sn erfolgen.Prefers is the metal oxide by vapor deposition of an alloy on the substrate formed with subsequent Annealing. This achieves a reduction in the graininess of the surface, which has the consequence that the gas sensitivity of the metal oxide even further decreases, as its surface is lower. In particular, a vapor deposition or sputtering of a Mixture or an alloy instead of an oxidation of metallic Sn done.

Bevorzugt umfasst der Hochtemperatur-Drucksensor einen Temperatursensor, der ein Signal zur Temperaturkompensation des elektrischen Widerstands des Metalloxids erzeugt. Dadurch werden mögliche Messfehler bei sehr hohen Temperaturen noch besser reduziert bzw. vermieden. Obwohl der Widerstand von SnO₂ nur gering von der Temperatur abhängig ist, wird das Messergebnis durch die Messung der Temperatur und eine nachfolgende Temperaturkompensation des Signals des Dehnungsmesselements noch weiterhin verbessert.Preferably, the high-temperature pressure sensor comprises a temperature sensor which generates a signal for temperature compensation of the electrical resistance of the metal oxide. As a result, possible measurement errors at very high temperatures are even better reduced or avoided. Although the resistance of SnO _{2 is} only slightly dependent on the temperature, the measurement result is further improved by the measurement of the temperature and a subsequent temperature compensation of the signal of the strain gauge.

Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor mäanderförmig ausgestaltet und aus Platin gefertigt. Zu diesem Zweck wird z.B. abseits der Membran, d.h. außerhalb des Bereiches, in dem sich das Dehnungsmesselement bzw. die Dehnungsmesselemente befinden, ein Platin-Mäander abgeschieden und strukturiert, der über seinen elektrischen Widerstand als Temperatursensor dient. Es kann also eine Temperaturkompensation erfolgen, die beispielsweise über eine direkte Auswertung des SnO₂-Widerstands schwierig wäre, da dieser nur eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit besitzt.Advantageously, the temperature sensor is configured meander-shaped and made of platinum. For this purpose, for example, apart from the membrane, ie outside the area in which the strain gauge or the strain gauges are located, a platinum meander deposited and structured, which serves as a temperature sensor via its electrical resistance. It can therefore be a temperature compensation, which would be difficult, for example, a direct evaluation of SnO ₂ resistance, since this has only a relatively low temperature dependence.

Es ist z.B. auch möglich, das Prinzip des Hochtemperatur-Drucksensors – ein Metalloxid-Dehnungsmesstreifen auf einer Saphirmembran bzw. Saphirbrücke – für andere Messzwecke anzuwenden, insbesondere zur Kraftmessung.It is e.g. also possible, the principle of the high-temperature pressure sensor - a metal oxide strain gauge on a sapphire membrane or sapphire bridge - to be used for other measurement purposes, in particular for force measurement.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Drucksensors angegeben, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats aus Saphir; Aufbringen eines Metalloxids als Dehnungsmesselement auf einen Teilbereich des Substrats; und Herstellen einer verformbaren Membran aus dem Teilbereich des Substrats, so dass anschließend das Metalloxid auf der Membran angeordnet ist, um eine Verformung der Membran zu messen.According to one Aspect of the invention is a method of manufacturing a high temperature pressure sensor indicated, comprising the steps of: Providing a substrate Sapphire; Applying a metal oxide as a strain gauge on a portion of the substrate; and producing a deformable Membrane from the subregion of the substrate, so that subsequently the Metal oxide is placed on the membrane to prevent deformation of the membrane To measure the membrane.

Insbesondere wird dabei SnO₂ auf Saphir aufgedampft, um das Dehnungsmesselement zu bilden. Das Metalloxid kann auch durch Sputtern, MBE oder andere Verfahren aufgebracht werden.In particular, while SnO _{2 is} vapor-deposited on sapphire to form the strain gauge. The metal oxide can also be made by sputtering, MBE or other methods are applied.

Vorteilhafterweise wird die verformbare Membran aus dem Substrat von dessen Rückseite her herausgearbeitet, so dass in dem Substrat eine Ausnehmung gebildet wird.advantageously, For example, the deformable membrane emerges from the substrate from the back side thereof worked out, so that formed in the substrate a recess becomes.

Beispielsweise wird das Substrat derart geformt, dass auf der Rückseite der Membran ein Innenraum ausgestaltet ist, der im Messbetrieb hermetisch abgeschlossen ist.For example the substrate is shaped such that on the back of the membrane an interior space is designed, which is hermetically sealed in measuring operation.

Vorteilhafterweise wird eine Versiegelung aus Saphir durch Waferbonden mit dem Substrat derart verbunden, dass der Innenraum hermetisch verschlossen wird.advantageously, becomes a seal of sapphire by wafer bonding to the substrate connected so that the interior is hermetically sealed.

Insbesondere kann das Metalloxid durch dotiertes SnO₂ gebildet werden.In particular, the metal oxide can be formed by doped SnO ₂ .

Bevorzugt wird auf dem Substrat ein mäanderförmiges Platinelement als Temperatursensor ausgestaltet.Prefers becomes a meandering platinum element on the substrate designed as a temperature sensor.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in denenfollowing the invention will be described by way of example with reference to the drawings, in which

1 einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt; 1 shows a high-temperature pressure sensor according to the invention according to a first preferred embodiment;

2 einen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform zeigt, der durch eine Versiegelung verschlossen ist; 2 shows a high-temperature pressure sensor according to another preferred embodiment, which is closed by a seal;

3 ein Beispiel für ein Dehnungsmesselement zeigt, das auf einer Membran angeordnet ist bzw. wird; und 3 shows an example of a strain gauge disposed on a diaphragm; and

4 einen Hochtemperatur-Drucksensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zeigt. 4 shows a high-temperature pressure sensor according to another preferred embodiment.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Drucksensor 10 zur Messung von Drücken oberhalb von 400 °C. Der Hochtemperatur-Drucksensor bzw. Drucksensor 10 besteht aus einem Substrat 11 aus Saphir, in dem ein Innenraum 12 ausgestaltet ist. Weiterhin ist eine verformbare Membran 13 vorgesehen, die im Betrieb den Innenraum 12 vom Außenraum trennt und sich bei einer Änderung des äußeren Druckes gegenüber dem Druck im Innenraum 12 verformt. Dabei ist der Innenraum 12 beim Betrieb des Sensors vollständig abgeschlossen. Auf der verformbaren Membran 13 ist eine Anordnung bzw. Struktur von Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c angeordnet, die aus Metalloxid gefertigt sind und ein Dehnungsmesselement zur Messung der Verformung der Membran 13 bilden. Dabei ist die Membran 13 ebenfalls aus Saphir gefertigt. 1 shows a high-temperature pressure sensor according to the invention 10 for measuring pressures above 400 ° C. The high-temperature pressure sensor or pressure sensor 10 consists of a substrate 11 made of sapphire, in which an interior 12 is designed. Furthermore, a deformable membrane 13 provided, which in operation the interior 12 separates from the exterior and changes in external pressure to the pressure in the interior 12 deformed. Here is the interior 12 Completely completed during operation of the sensor. On the deformable membrane 13 is an arrangement or structure of strain gauges 14a . 14b . 14c arranged, which are made of metal oxide and a strain gauge for measuring the deformation of the membrane 13 form. Here is the membrane 13 also made of sapphire.

Das Substrat 11 und die Membran 13 sind einstückig ausgebildet. D.h., die Membran 13 wird durch einen Teilbereich des Saphir-Substrats 11 gebildet, das entsprechend geformt ist, um den Innenraum 12 mittels der Membran 13 nach außen hin abzugrenzen.The substrate 11 and the membrane 13 are integrally formed. That is, the membrane 13 is through a portion of the sapphire substrate 11 formed, which is shaped according to the interior 12 by means of the membrane 13 to demarcate to the outside.

Das Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c ist im vorliegenden Fall aus SnO₂ gefertigt und als Dehnungsmessstreifen in Form einer Dünnschicht-Leiterbahn ausgestaltet. Bei einer Verformung der Membran 13 liefert das Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c aufgrund einer Änderung seines elektrischen Widerstands ein Signal an eine Auswerteeinheit, das dem den außen anliegenden Druck entspricht.The strain gauge 14a . 14b . 14c is made in this case of SnO ₂ and formed as strain gauges in the form of a thin-film conductor. At a deformation of the membrane 13 supplies the strain gauge 14a . 14b . 14c due to a change in its electrical resistance, a signal to an evaluation unit, which corresponds to the pressure applied to the outside.

Der Drucksensor 10 gemäß dieser ersten bevorzugten Ausführungsform ist zur Integration in ein Turbinenelement, beispielsweise einer Turbinenschaufel, ausgestaltet. Es kann aber allgemein in Bauteile jeglicher Art integriert werden, in deren Umgebung der Druck gemessen werden soll. Dabei wird der Innenraum 12 erst durch die Integration in das Turbinenelement verschlossen bzw. hermetisch abgeriegelt, so dass nur noch die Vorderseite 16 des Drucksensors 10 an den Außenraum angrenzt, in dem der Druck gemessen wird. Zu diesem Zweck ist die Rückseite des Innenraums 12 offen und durch das Substrat 11 umgrenzt, d.h. der Innenraum 12 bildet eine Ausnehmung in dem Substrat 11. Aufgrund der besonderen Gestaltung des Drucksensors 10 durch ein einziges Saphir-Substrat 11, das sowohl die Membran 13 bildet als auch die Bereitstellung bzw.The pressure sensor 10 According to this first preferred embodiment is designed for integration into a turbine element, such as a turbine blade. However, it can generally be integrated into components of any kind in whose environment the pressure is to be measured. This is the interior 12 only closed by the integration into the turbine element or hermetically sealed, so that only the front 16 of the pressure sensor 10 adjacent to the outside space where the pressure is measured. For this purpose, the back of the interior 12 open and through the substrate 11 delimited, ie the interior 12 forms a recess in the substrate 11 , Due to the special design of the pressure sensor 10 through a single sapphire substrate 11 that is both the membrane 13 forms as well as the provision or

Umgrenzung des Innenraums 12 in der Art eines Gehäuses, ergibt sich eine so kleine Bauweise, dass der Drucksensor in Bauteile mit relativ geringer Dicke, wie beispielsweise in eine Turbinenschaufel, vollständig integriert werden kann. Der Drucksensor 10 dieser ersten bevorzugten Ausführungsform kann aber auch in ein Drucksensor-Gehäuse eingebaut und dabei kontaktiert werden. Dabei wird durch entsprechende Gestaltung des Gehäuses der Innenraum 12 verriegelt bzw. hermetisch abgeschlossen.Boundary of the interior 12 in the manner of a housing, such a small construction results that the pressure sensor can be fully integrated into components of relatively small thickness, such as a turbine blade. The pressure sensor 10 However, this first preferred embodiment can also be installed in a pressure sensor housing and thereby contacted. In this case, by appropriate design of the housing of the interior 12 locked or hermetically sealed.

Bei der Druckmessung besteht im Innenraum 12 ein Referenzdruck auf der Rückseite 17 der Membran 13, so dass die Membran 13 bei einer Änderung des von außen anliegenden Drucks verformt wird.In the pressure measurement exists in the interior 12 a reference print on the back 17 the membrane 13 so that the membrane 13 is deformed when changing the pressure applied from the outside.

2 zeigt einen Hochtemperatur-Drucksensor 20 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Der Drucksensor 20 entspricht im Aufbau dem oben beschriebenen Drucksensor 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei jedoch zusätzlich eine Versiegelung 18 vorgesehen ist, die auf der Rückseite des Saphir-Substrats 11 derart angeordnet ist, dass sie den Innenraum 12 verschließt bzw. hermetisch abriegelt. Dabei ist die Versiegelung 18 ebenfalls aus Saphir gefertigt und durch Waferbonden mit dem Saphir-Substrat 11 fest verbunden. Auf diese Weise kann bei der Herstellung ein definierter Referenzdruck, insbesondere Vakuum, im Innenraum vorgesehen werden. Dadurch entsteht eine voll funktionsfähige Drucksensor-Kapsel, bei der alle Elemente sehr ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. 2 shows a high-temperature pressure sensor 20 according to a second preferred embodiment. The pressure sensor 20 corresponds in construction the pressure sensor described above 10 according to the first embodiment, but in addition a seal 18 is provided on the back of the sapphire substrate 11 is arranged so that it is the interior 12 closes or hermetically seals off. Here is the seal 18 also made of sapphire and by wafer bonding with the sapphire substrate 11 firmly connected. In this way, during production, a defined reference pressure, in particular vacuum, can be provided in the interior. This creates a fully functional pressure sensor capsule in which all elements have very similar thermal expansion coefficients.

3 zeigt ein Beispiel für eine Dehnungsmessstreifen-Struktur, die als Dehnungsmesselement auf der Membran 13 des erfindungsgemäßen Drucksensors 10, 20 angeordnet ist. Die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c sind mäanderförmig ausgestaltet und als Dünnschicht-Leiterbahnen aus SnO₂ auf der Membran 13 (s. 1 und 2) angeordnet. Die Form der Dehnungsmessstreifen-Struktur und ihre äußere Begrenzung entspricht im Wesentlichen der Membranfläche 13, d.h., die rund ausgestaltete äußere Begrenzung bzw. die äußeren Dehnungsmessstreifen 14a, 14c sind im Randbereich der Membran 13 auf deren Oberseite angeordnet, während sich im Zentrum der Membran 13 der Dehnungsmessstreifen 14b befindet. 3 shows an example of a strain gauge structure acting as a strain gauge on the membrane 13 the pressure sensor according to the invention 10 . 20 is arranged. The strain gauges 14a . 14b . 14c are meander-shaped and as thin-film conductor tracks of SnO ₂ on the membrane 13 (S. 1 and 2 ) arranged. The shape of the strain gauge structure and its outer boundary substantially corresponds to the membrane surface 13 , ie, the round outer limit or the outer strain gauges 14a . 14c are in the edge area of the membrane 13 placed on the top while in the center of the membrane 13 the strain gauge 14b located.

Das Metalloxid bzw. SnO₂ des Dehnungsmesselements 14a, 14b, 14c ist beispielsweise mit Antimon dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur und darüber hinaus auch die Gassensitivität des Metalloxids zu verringern, so dass Messfehler aufgrund einer sich ändernden Temperatur oder Zusammensetzung des zu messenden Gases noch besser reduziert werden.The metal oxide or SnO _{2 of} the strain gauge 14a . 14b . 14c For example, it is doped with antimony to increase the electrical conductivity and to reduce the dependence of the electrical conductivity on the temperature and also the gas sensitivity of the metal oxide, so that measurement errors due to a changing temperature or composition of the gas to be measured can be reduced even better ,

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Drucksensors wird zunächst ein Substrat aus Saphir bereitgestellt. Anschließend wird ein Metalloxid, insbesondere SnO₂ auf das Saphir-Substrat aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen. Das Metalloxid bildet das spätere Dehnungsmesselement 14a, 14b, 14c. Nun erfolgt das Herstellen der Membran 13 in dem Saphir-Substrat, beispielsweise durch Schleifen, Ultraschall-Erodieren, Laserbearbeitung oder Elektronenstrahl-Dampfverfahren. Dabei wird die Membran aus dem Teilbereich des Substrats gefertigt, auf dem das Metalloxid bzw. SnO₂ als Dünnschicht-Leiterbahn aufgebracht ist. Alternativ kann auch zuerst die Membran gefertigt und anschließend das Metalloxid aufgebracht werden.To produce the high-temperature pressure sensor according to the invention, a substrate made of sapphire is initially provided. Subsequently, a metal oxide, in particular SnO _{2 is} applied to the sapphire substrate, for example by vapor deposition. The metal oxide forms the later strain gauge 14a . 14b . 14c , Now the production of the membrane takes place 13 in the sapphire substrate, for example, by grinding, ultrasonic erosion, laser processing or electron beam vapor method. In this case, the membrane is made of the portion of the substrate on which the metal oxide or SnO _{2 is applied} as a thin-film conductor. Alternatively, it is also possible first to fabricate the membrane and then to apply the metal oxide.

Da Saphir auch bei hohen Temperaturen elektrisch isoliert, ist keine elektrische Isolationsschicht notwendig. Das Metalloxid wird vorzugsweise als Dünnschicht auf das Saphir-Substrat aufgebracht. Es kann aber auch als Dickschicht aufgebracht werden.There Sapphire also electrically insulated at high temperatures, is not electrical insulation layer necessary. The metal oxide is preferably used as thin applied to the sapphire substrate. It can also be used as a thick film be applied.

Das SnO₂ wird z.B. mit Antimon dotiert, um die Messgenauigkeit des hergestellten Drucksensors noch weiter zu verbessern. Über dem SnO₂ bzw. Metalloxid kann eine Passivierung, beispielsweise aus Al₂O₃ abgeschieden werden, wodurch die Gassensitivität weiter verringert und die Messgenauigkeit des hergestellten Drucksensors weiter erhöht wird.For example, the SnO ₂ is doped with antimony in order to further improve the measuring accuracy of the pressure sensor produced. A passivation, for example of Al ₂ O ₃ , can be deposited over the SnO ₂ or metal oxide, which further reduces the gas sensitivity and further increases the measuring accuracy of the pressure sensor produced.

Optional wird auf dem Saphirsubstrat noch zusätzlich ein Platinmäander abgeschieden und strukturiert, der einen Temperatursensor bildet. Das Abscheiden und Strukturieren des Platinmäanders erfolgt abseits der Membran, d.h. außerhalb des Bereichs, in dem sich die Dehnungsmessstreifenstruktur aus SnO₂ befindet. Der Temperatursensor ermöglicht eine Temperaturkompensation, die insbesondere bei sehr hohen Temperaturen das Messergebnis noch weiter verbessert, wobei der elektrische Widerstand von SnO₂ ohnehin nur eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.Optionally, a platinum meander is additionally deposited and structured on the sapphire substrate, which forms a temperature sensor. The deposition and structuring of the platinum meander takes place away from the membrane, ie outside the area in which the strain gauge structure of SnO ₂ is located. The temperature sensor allows a temperature compensation, which further improves the measurement result even at very high temperatures, wherein the electrical resistance of SnO ₂ anyway has only a very low temperature dependence.

Die Erfindung beinhaltet weiterhin noch die Möglichkeit, eine nichtleitende Schicht, insbesondere eine amorphe Schicht, vorzugsweise SiO₂, zwischen Saphir und Metalloxid aufzubringen. Dadurch werden das Wachstum bzw. die Eigenschaften des Metalloxids positiv beeinflusst, was sich insbesondere in einer erhöhten Temperaturstabilität äußert.The invention still further includes the possibility of applying a non-conductive layer, in particular an amorphous layer, preferably SiO ₂ , between sapphire and metal oxide. As a result, the growth or the properties of the metal oxide are positively influenced, which manifests itself in particular in an increased temperature stability.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Im Gegensatz zu 2 wirkt der Druck – und damit die aggressive Atmosphäre – nicht von unten auf die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c, sondern von oben auf die Membran 13 aus Saphir. Dadurch lässt sich der Sensor 30 bzw. die Sensorkapsel selbst in extrem korrosiver Umgebung einsetzen. Die Membran 13 wird hier in die andere Richtung durchgedrückt als bei 2.Another preferred embodiment is in 4 shown. In contrast to 2 The pressure - and thus the aggressive atmosphere - does not affect the strain gauges from below 14a . 14b . 14c but from the top of the membrane 13 made of sapphire. This allows the sensor 30 or use the sensor capsule even in extremely corrosive environment. The membrane 13 is pushed through in the other direction than at 2 ,

Wie bei 2 wird eine Versiegelung 38 aus Saphir durch Waferbonden aufgebracht. Eine Kavität 39 ist ausgespart, damit sich die Membran 13 bei Anliegen von Druck nach unten durchbiegen kann. In der entstehenden Kavität 39 herrscht Referenzdruck, z.B. Vakuum. Die Herstellung dieser hermetischen Versiegelung ist schwierig, da die Oberfläche des Substrates 11 nicht vollständig eben ist. Es müssen nämlich die elektrischen Anschlüsse für die Dehnungsmessstreifen 14a, 14b, 14c nach außen geführt werden. Zu diesem Zweck ist eine Kontaktierung 35 vorgesehen. Diese Kontaktierung 35 kann auch durch Metalloxid erfolgen oder z.B. durch Platin.As in 2 becomes a seal 38 made of sapphire by wafer bonding. A cavity 39 is left out, so that the membrane 13 when pressure is applied, it can bend downwards. In the resulting cavity 39 there is reference pressure, eg vacuum. The preparation of this hermetic seal is difficult because the surface of the substrate 11 not completely flat. It must namely the electrical connections for the strain gauges 14a . 14b . 14c be led to the outside. For this purpose is a contact 35 intended. This contact 35 can also be done by metal oxide or eg by platinum.

Als Alternative zum Waferbonden von zwei Saphiroberflächen lässt sich eine Zwischenschicht aus Al₂O₃ aufbringen, vorzugsweise durch ein SolGel-Verfahren. Substrat und Versiegelung werden dann aufeinander gedrückt und durch ein thermisches Verfahren die dazwischenliegende Al₂O₃-Schicht ausgehärtet. Diese Al₂O₃-Schicht und das Saphir haben sehr ähnliche thermische Ausdehnunskoeffizienten.As an alternative to wafer bonding of two sapphire surfaces can be an intermediate layer from Al ₂ O ₃ , preferably by a SolGel method. Substrate and seal are then pressed together and cured by a thermal process, the intermediate Al ₂ O ₃ layer. This Al ₂ O ₃ layer and the sapphire have very similar thermal expansion coefficients.

Claims

High-temperature pressure sensor ( 10 ; 20 ; 30 ), in particular for engines, with a substrate ( 11 ), in which an interior ( 12 ), a deformable membrane ( 13 ), the interior ( 12 ) separates from the outer space to deform in operation with a change in the external pressure, a strain gauge ( 14a . 14b . 14c ), which is arranged on the membrane, for measuring the deformation of the membrane ( 13 ), characterized in that the strain gauge ( 14a . 14b . 14c ) is made of metal oxide and the membrane ( 13 ) is made of sapphire.

High-temperature pressure sensor according to claim 1, characterized in that the strain gauge ( 14a . 14b . 14c ) is made of SnO ₂ .

High-temperature pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the deformable membrane ( 13 ) integral with the substrate ( 11 ) is trained.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the strain gauge ( 14a . 14b . 14c ) is a strain gauge in the form of a thin-film trace.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that it is suitable for integration in a turbine element, in particular a turbine blade, is configured.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the interior ( 12 ) by a seal ( 18 ) is made of sapphire and by wafer bonding with the substrate ( 11 ) connected is.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that the metal oxide contains a doping, in particular an antimony doping.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the metal oxide by vapor deposition of an alloy on the substrate ( 11 ) is formed.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that on the metal oxide passivation is trained.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding Claims, characterized by a temperature sensor that provides a signal for temperature compensation generates the electrical resistance of the metal oxide.

High-temperature pressure sensor according to claim 10, characterized in that the temperature sensor is meander-shaped and made of platinum is.

High-temperature pressure sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that it is used for force measurement.

Method for producing a high-temperature pressure sensor, comprising the steps of: providing a substrate ( 11 ) of sapphire; Application of a metal oxide as a strain gauge ( 14a . 14b . 14c ) on a portion of the substrate ( 11 ); and producing a deformable membrane ( 13 ) from the subregion of the substrate ( 11 ), so that subsequently the metal oxide on the membrane ( 13 ) is arranged around a deformation of the membrane ( 13 ) to eat.

A method according to claim 13, characterized in that SnO _{2 is} vapor-deposited on sapphire to form the strain gauge element ( 14a . 14b . 14c ) to build.

A method according to claim 13 or 14, characterized in that the deformable membrane ( 13 ) from the substrate ( 11 ) is machined from the rear side, so that in the substrate ( 11 ) A recess is formed.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that the substrate ( 11 ) is shaped such that on the back of the membrane ( 13 ) an interior ( 12 ), which is hermetically sealed during measurement operation.

A method according to claim 16, characterized in that a seal of sapphire by Waferbonden with the substrate ( 11 ) is connected such that the interior ( 12 ) is hermetically sealed.

Method according to one of claims 13 to 17, characterized in that the metal oxide is formed by doped SnO ₂ .

Method according to one of claims 13 to 18, characterized that on the substrate a meandering platinum element is designed as a temperature sensor.